中科院化学所「国家杰青」团队，新发Nature Energy！有机太阳能电池新进展！

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对于有机太阳能电池（OSCs）来说，要缩小与Shockley-Queisser极限之间的差距，就必须同时降低能量损耗以获得高开路电压，提高光利用率以增强短路电流密度，并通过分子设计和器件工程保持理想的纳米形态和高填充因子。

2024年6月12日，中国科学院化学研究所朱晓张研究员团队在Nature Energy期刊发表题为“Non-fullerene acceptor with asymmetric structure and phenyl-substituted alkyl side chain for 20.2% efficiency organic solar cells”的研究论文，团队成员Yuanyuan Jiang、Shaoming Sun、Renjie Xu为论文共同第一作者，刘峰博士、朱晓张研究员为论文共同通讯作者。

朱晓张，中国科学院化学研究所研究员，国家杰出青年基金获得者；专注于有机光电功能材料与器件研究，以材料创新为导向开展有机光电子学研究，基于醌式效应创新材料设计，发展了拥有自主知识产权的高性能有机光电材料。

该研究设计并合成了一种不对称非富勒烯受体（Z8），其特点是具有系链苯基，可在三元OSCs中建立合金受体。这种不对称结构最大程度地减少了非辐射能量损失和由于离域激子引起的电荷复合。苯基取代的烷基侧链影响了分子间的相互作用，通过有效的激子解离和减少电荷复合改善了薄膜的纳米形态。该研究展示了基于D18:Z8:L8-BO三元共混物的OSCs，其效率为20.2%（认证为19.8%）。通过理论计算，研究了光子和载流子损耗的总体分布，分析了开路电压、短路电流密度和填充因子的改进潜力，为进一步开发OSCs性能提供了合理指导。

https://www.nature.com/articles/s41560-024-01557-z

研究人员设计了具有苯基取代侧链的不对称NFA（Z8），具有理想的光电性能，如高光致发光量子产率（PLQY）和离域激子，增加了同时实现低非辐射能量损失和高效电荷生成的可能性。Z8中的系链苯基可参与分子内和分子间相互作用，影响受体与受体和供体与受体的分子间相互作用。Z8和L8-BO两种NFAs可以形成合金受体，这有助于通过与聚合物供体D18共混形成有利的纳米形态，包括合适的相分离、垂直组分分布和增强的结晶度。并且在基于D18:Z8:L8-BO的单结OSCs中实现了20.2%的高PCE。三元器件的光电参数（VOC、JSC和FF）实现了最大增益，这得益于电荷提取的改善和电荷复合的减少，从而实现了高效的光子和载流子管理。

图1. 材料和器件性能

图2. 电荷动力学分析

图3. 形貌表征

图4. 理论评估

该研究中，三元OSCs中由Z8和L8-BO两种NFAs组成的合金受体降低了光子和载流子损耗，在单结OSCs中实现了20.2%的高 PCE（认证PCE为19.8%）。不对称z型受体中的系链苯基基团不仅赋予了NFA高PLQY和离域激子，而且有助于促进三元共混物中的电荷转移和最大限度地减少电荷复合，从而同时达到理想的VOC、JSC和FF。通过详细的理论计算，介绍了OSCs的光子和载流子损耗的总体分布，并分析了每个器件参数的改进潜力，这表明材料和器件的改进对于进一步减少光子和载流子损耗至关重要。这些研究结果表明，光子损耗和载流子损耗应得到业界的同等重视，这可能会将OSCs的光伏性能推向效率极限。

■密度泛函理论DFT代算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等

■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等

■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR

■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关